Odporność na pękanie spieków ceramicznych stosowanych na ostrza narzędzi skrawających

Szutkowska, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Odporność na pękanie spieków ceramicznych stosowanych na ostrza narzędzi skrawających

Autorzy

Szutkowska M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Fracture toughness of advanced ceramics used for cutting tool edges

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy przestawiono problematykę pomiaru odporności na pękanie spieków ceramicznych na przykładzie spieku alfa-Al2O3 i kompozytu ziarnistego z układu Al2O3-ZrO2. W ramach badań własnych wyznaczono odporność na pękanie według różnych metod pomiarowych. Przeprowadzone obliczenia i pomiary własne pozwalają na weryfikację i ocenę przydatności zaproponowanych metod do wyznaczania KIC dla reprezentatywnych spieków ceramicznych, stosowanych na ostrza narzędzi skrawających. Odporność na pękanie wyznaczono w oparciu o bezpośredni pomiar długości pęknięć powstających w narożach odcisku wgłębnika twardości Vickersa przy zastosowaniu różnej siły obciążającej wgłębnik. Obliczenia porównawcze odporności na pękanie KIC wykonano według wzorów zaproponowanych przez różnych autorów. Odporność na pękanie otrzymano również stosując zmodyfikowaną metodę bezpośredniego pomiaru długości pęknięć Vickersa, podczas ich stabilnego wzrostu, na powierzchni próbki w kształcie belki poddanej trójpunktowemu statycznemu zginaniu. Według tej metody określono współczynnik chi, charakteryzujący koncentrację naprężeń szczątkowych, wytworzonych w otoczeniu odcisku wgłębnika twardości Vickersa. Obserwacje przemieszczeń i odkształceń w płaszczyźnie oraz pozapłaszczyznowych przeprowadzono przy zastosowaniu interferometrii siatkowej. Odporność na pękanie wyznaczono także metodą wgłębnikowo-wytrzymałościową, podczas niestabilnego rozwoju pęknięć. Wartości KIC otrzymane z bezpośredniego pomiaru długości pęknięć Vickersa porównano z wartościami KIC otrzymanymi metodą konwencjonalną na próbkach typu SENB (ang. Single Edge Notched Beam) z pojedynczym karbem w kształcie "U", wytworzonym na drodze mechanicznej. Podczas stabilnego rozwoju pęknięć prowadzono też badania zachowania się krzywych R, charakteryzujących zmianę KR ze wzrostem pęknięcia. Określono parametry podkrytycznego wzrostu pęknięcia. Zbadano odporność materiału na wykruszenia powstające pod wpływem działania pęknięć bocznych, przy różnych wartościach sił obciążających wgłębnik twardości Vickersa. Próby eksploatacyjne przeprowadzono w procesie skrawania przy użyciu płytek wieloostrzowych, wykonanych z kompozytu ziarnistego z układu Al2O3-10% masy ZrO2N* (ZrO2 niestabilizowany), charakteryzującego się najwyższą odpornością na pękanie. Zastosowane płytki wykazały dobre właściwości użytkowe badanego materiału. Wyniki otrzymane z analizy badań pozwalają na ocenę przydatności spieków ceramicznych na ostrza narzędzi skrawających. Rozwiązanie przedstawionego problemu badawczego ma duże znaczenie technologiczno-produkcyjne, gdyż pozwala na wprowadzenie wiarygodnej kontroli jakości wyrobów narzędziowych i stwarza "narzędzie" do dalszych badań technologicznych w zakresie specjalnych spieków ceramicznych stosowanych do obróbki skrawaniem.

A specific characteristic in fracture toughness measurement of advanced ceramics with particular reference to alpha-Al2O3 and Al2O3-ZrO2 composites has been presented. Own investigations determined the fracture toughness according to various methods. The carried out analysis and own measurements allow verifying and evaluating the usefulness of the proposed methods to determine the KIC of the representative cutting ceramics. Fracture toughness has been determined from direct measurement of the crack length, developed during the Vickers indentation test, as a function of indenter's load. Comparative calculations of the fracture toughness KIC have been performed according to analytical approaches proposed by different researchers authors. The modified method of direct crack measurement has also been used for determination of the fracture toughness. The method is based on the observation of the controlled crack growth on the tensile surface of the beam in the static three point bending test. According to this method the coefficient of the chi characterizing the residual indentation stress concentration around the Vickers hardness indent has been determined. Observations of in-plane and normal (out of plane) displacements and strains were made on using interferometry method. The fracture toughness was assessed by means of indentation strength in bending (ISB) method during unstable crack extension. The values of the KIC from Vickers cracks were compared with those obtained by conventional method on the mechanically notched specimen type SENB (Single Edge Notched Beam) with single "U" type notch. Further, investigations of R-curve behaviour, characterising change of KR with the crack growth were extended, during stable growth of cracks. The parameters of subcritical crack growth were determined. Chipping compliance of the advanced ceramics under different loads applied to the Vickers hardness indenter was tested. Operation tests made in cutting conditions using indexable inserts produced with Al2O3-10 wt.% ZrO2 N* (unstabilised ZrO2), have exhibited the highest fracture toughness. The tested inserts have offered better functional properties of these materials. Results, obtained from analysis, permit to evaluate ceramics usefulness for cutting tools edges. The research results allow not only introducing the reliable quality assurance of tools but also offering intelligent and practical technique for further technological investigations of the range of special tool ceramics.

Słowa kluczowe

spiek ceramiczny ostrze skrawające narzędzie skrawające odporność na pękanie

advanced ceramics cutting edge cutting tool fracture toughness

Wydawca

Instytut Obróbki Skrawaniem

Czasopismo

Prace Instytutu Obróbki Skrawaniem. Zeszyty Naukowe

Rocznik

2005

Tom

nr 85

Strony

1--126

Opis fizyczny

Bibliogr. 87 poz., rys., tabl.

Twórcy

autor

Szutkowska M.

Instytut Obróbki Skrawaniem, ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków, tel. (+48 12) 6317328, magadalena.szutkowska@ios.krakow.pl

Bibliografia

1. Gorham Cutting Tools Conference 51. Metal Powder Report, (1996), s. 10-12
2. Huston M.F., Knobeloch G.W.: Cutting materials, tools, market trends in USA. VDI Berichte, nr 1399, (1998), s.21-53
3. Pampuch R.: Nauka i technologia ceramiczna wobec zmian paradygmatu: punkt widzenia. Inżynieria Materiałowa, nr 6, (1997), s.208-216
4. Riedel R.: Handbook of ceramic hard materials, tom 1,2, Wiley-Vch, (2000)
5. Jaworska L,: Wysokociśnieniowe spiekanie proszków diamentowych. Prace Instytutu Obróbki Skrawaniem. Seria Zeszyty Naukowe, nr 82, (2002)
6. Łubieński T.: Problemy rozwoju zastosowań ceramiki w budowie maszyn. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, nr LXXVII, (1998)
7. Pampuch R.; Siedem wykładów o ceramice. AGH, Uczelniane Wydawnictwa Nauko- wo -Dydaktyczne, Kraków, (2001)
8. Gibas T.: Korund i jego zastosowanie w technice. Wydawnictwo Śląsk, Katowice, (1971)
9. Lee W.E., Raińforth W.M.: Ceramic microstructures. Property control by processing. Chapman &Hall. UK, (1994) _
10. Ruberto C: Bulk and surface structure of Kalumina . Praca doktorska. Department of Applied Physics. Chalmers University of Technology in Góteborg, Sweden (1998)
11. Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie. Kształtowanie struktury i właści¬wości, dobór materiałów. Część B. Tworzywa ceramiczne i szkła, (tłumaczenie A.Olszyna), Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, tom 2, Warszawa, (1996)
12. Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne. Warszawa, (1997)
13. Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inży¬nierskie z podstawami projektowania materiałowego. Gliwice, Warszawa, WNT, (2002)
14. Bućko M.: Mikrostruktura spieków Al203-Zr02 i ich właściwości mechaniczne. Roz¬prawa doktorska. AGH. Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Kraków, (1993)
15. Pampuch R., Haberko K., Kordek M.: Nauka o procesach ceramicznych. Wydawnic¬two Naukowe PAN, (1992)
16. Becher P.F.: Toughening behaviour in ceramics associated with transformation of tetragonal Zr02. Acta Metali., nr 34, tom 10,(1986), s. 1885-1891
17. Tomaszewski H.: Wpływ stopnia stabilizacji Zr02 tlenkiem itrowym na właściwości termomechaniczne ceramiki z układu Al20 rZr O 2. Inżynieria Materiałowa, nr 6, (1990), s. 144-148
18. Niezgoda T., Michałowski J., Szymczyk W.: Numeryczne modelowanie rozwoju pęk¬nięć w ceramice. Materiały konferencyjne. Nowe materiały-nowe technologie materia¬łowe w przemyśle okrętowym, maszynowym. Szczecin-Swinoujście, (1998), s. 183-188
19. Tomaszewski H., Węglarz H,, Strzeszewski J.: Zależność pracy pękania od rozmiaru strefy przemiany fazowej w materiałach ceramicznych na bazie Zr02. Inżynieria Mate¬riałowa, nr 6, (2002), s.729-736
20. Gao L., Liu Q., Hong S. et al.: Phase transformation in the Al203-ZrO2 system. J. Mater. Sci., nr 33, (1998), s. 1399-1403
21. Kriyen W.M.: Martensite theory and twinning in co ceramics, tom 3. Science and technology of zirconia l Am. Ceram. Soc. Columbus, (1981), s. 168-183
22. Riihle M., Claussen N., Heuer A.H.: Transformation complementary process in Zr02-toughened Al203 J. A (1986), s. 195-172
23. Shin Y.-S., Rhee Y.-W., Kang S.-J.: Expeńmental ev nisrn in alumina-zirconia composites. J.Am.Ceram. Soc 1234
24. Smuk B., Szutkowska M. et al.: Alumina ceramics with cutting tools, J. Mater. Proc. Tech., nr 133, (2003), s.19
25. Dzidowski E.S.: Mechanizm pękania poślizgowego w metali. Prace naukowe Instytutu Technologii Budowy skiej, Seria; Studia i Materiały. Wrocław, nr 11, (1990)
26. Neimitz A.; Mechanika pękania. Wydawnictwo Naukoi
27. Blicharski M.: Odkształcanie i pękanie. AGH Uczeli Dydaktyczne. Kraków, (2002)
28. Neimitz A.: Dynamika wzrostu pęknięć. Monografie, ! Świętokrzyska. Kielce, (1994)
29. Irwin G.R.: Analysis of stresses and strains near th aplate. Journal of Applied Mechanics, Transaction: s.361-367
30. Williams M.L.: On the stress distribution at the base o Applied Mechanics, tom 24, (1957), s. 109-114
31. Sneddon I.N.: The distribution of stress in the neighi solid. Proceedings, Royal Society London, tom A-187, i
32. Clifford F.L. Testing ceramic fracture toughness. Mech
33. Japanese Industrial Standard: Testing methods for fract ance ceramics. JIS R 1607-1990
34. Palmqvist S.: Rifibildungsarbeit bei Vickers-Eindruckei Hartmetallen. Arch.Eisenh., nr 33, (1962), s. 629-634
35. Szutkowska M.: Fracture toughness measurement of i tion method. Journal of Advanced Materials, tom 31, nr
36. Perrot C.M.: Elastic-plastic indentation hardness and s.293-309
37. Lawn B.,Wilshaw R.: Review. Indentation fracture. , Mat. Sci., nr 10 (1975), s. 1049-1081
38. Krell A.,Blank P.: Al203 sintering materiał, process for and use there of. EP-75658681 (1997)
39. Farber B.Ya, Yoon S.-Y., Peter K., Lagerlof D., Heui sapphire (a-Al203) near microhardness indents. Z.]V s. 426-430
40. Olszyna A.R.: Ceramika supertwarda. Oficyna Wyda skiej, Warszawa, (2001)
41. Lankford J., Davidson D.L.: The crack-initiation thres ject to elastic/plastic indentation. J. Mater. Sci., nr. 14, |
42. McColm I.J.: Ceramic hardness, PlenumPress, New Yo
43. Binner J.G.P., Stevens R.: The measurement of toughness by indentation. Biit. Ceram., nr 83, (1984), s. 168-172
44. Nowak R.: Mechanical properties of solid and thin films studied by depth-sensing indentation method. Reports of Hiroshima University, R.78, Hiroshima University Press, Higashi-Hiroshima, (1999)
45. Evans A.G., Charles E.A.: Fracture toughness determinations by indentation. J. Amer. Ceram. Soc.-Discussions and Notes, tom 59, nr 7-8, (1976), s.371-372
46. Niihara K., Morena R., Hasselman, D.P.H.: Evaluation of KIC of brittle solid by the indentation method with Iow crack-to-indent ratios. J. Mater. Sci. Lett, nr.l, (1982), s.13-16
47. Niihara K., Morena R., Hasselman D.PH.: Further reply to "Comment on elas- tic/plastic indentation damage in ceramics: The median/radian crack system ". Comm. Am. Ceram. Soc., C-116, (1982)
48. Lankford J.: Indentation microfracture in the Palmqvist crack regime: Implication for fracture toughness evaluation by the indentation method. J. Mater. Sci. Lett., nr 1, (1982). s.493-495
49. Niihara K., Morena., Hasselman D.P.H.: Fracture mechanics of ceramics, tom 5, ed- ited by Brandt R.C., Evans A.G., Hasselman P.P., Lange F.F., Plenum New York, (1983), s. 97-105
50. Anstis G.R., Chanticul P., Lawn B.R., Marshall D.B.: A critical evaluation of indenta¬tion techniąues for measuring fracture toughness. I Strength. J.Amer. Ceram. Soc, tom 64, nr 9, (1981), s.533-538
51. Lawn, B.R ; Fuller E. R.: Eąuilibrium penny-like cracks indentation fracture. J. Mater. Sci. nr 10, (1975), s.2016-2024
52. Laugier M.T.: New formuła for indentation toughness in ceramic. J. Mater. Sci. Lett., nr 6 (1987), s.355-356
53. Liang K. M, Orange G., Fantozzi G.: Evaluation by indentation of fracture toughness of ceramic materials. J. Mater. Sci. nr 25 (1990) s.207-214
54. Cook R.F, Roach. D.H: The effect of lateral crack growth on the strength of contact flaws in brittle materials. J. Mater. Res., tom 1, nr.4, Jul/Aug. (1986), s.589-600
55. Muchtar A., Lim. L.C., Lee K.M.: Finite element analysis of Vickers indentation cracking processes in brittle solids using elements exhibiting cohesive post-failure be- haviour. J. Mater. Sci., nr 38, (2003), s. 235-243
56. Fett T.,Munz D.; Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior. J. Am. Ceram. Soc., nr.4, tom 75, (1992), s.958-963
57. Fett T.: An analysis of the three-point bending bar by use of the weight function method. Eng. Fract, Mech., nr 3, tom 40, (1991), s.683-686
58. Norma ASTM 399-90 Standard test method for piane strain fracture toughness of metallic materials
59. Cook R.F. et al.: Toughness-curve behavior of an alumina-mullite composite. J. Am. Ceram. Soc., tom 81, nr 10, (1998), s.2613-2623
60. Deng Zhen-Yan, Kobayashi T.: Microstructure and R-curve behavior of Al203-SiC ceramic matrix composites. J. Mater. Sci. Lett., nr 18, (1999), s.489-492
61. Pezzotti G, Sbaizero O. et al.: In situ measurements offrictional bridging stresses in alumina using fluorescence spectroscopy. J. Am. Ceram. Soc., tom.81, nr 1, (1998), s. 187-192
62. Gillbert C.J., Cao J.J. et al.: Crack-growth resistance curve behavior in silicon carbide: Smali versus long cracks. J. Am. Ceram. Soc., tom.80, nr.9, (1997), s.2253-2261
63. Szutkowska M, Boniecki M.: Badania krzywych R w tworzywie tlenkowym i kompozycie tlenków o-węglikow o- nr.5, (2002), s.378-383
64. Muntz D.,Fett T.: R-curve behaviour. Chapter 4, Cen Heilderberg, (1999), s.53-76
65. Evans A.G., Faber K.T.: Crack growth resistance of m< J. Am. Ceram. Soc., tom 67, nr 4, (1984), s.255-260
66. Swanson P.L.,Fairbanks C.J. et.al.: Crack-interface gn tance mechanism in ceramics: I. Experimental study on tom 70, nr 4 (1987), s. 279-289
67. Muntz D.,Fett T.: Subcritical crack growth. Chapter Berlin Heildeiberg, (1999, s.77-103
68. Chantikul P., Anstis G.R, Lawn B.R., and Marshall DJ dentation techniąues for measuring fracture toughnei J. Am. Ceram. Soc., tom 64, nr 9, (1981), s. 539-543
69. Szutkowska M.: Fracture resistance behavior of alum ceedings of the International Conference on Advance; Technologies AMPT 2003, Dublin, (2003), s. 1251-1254
70. Szutkowska M., Boniecki M.: Fracture toughness eva, composite by means of controlled Vickers crack gro\ (2003), s.1719-1721
71. Sglavo V.M., Trentini E., Boniecki M.: Fracture tough room and elevated temperature. J. Mater. Sci. Lett., nr 1
72. Rice R.W., Wu C.: Hardness-grain-size relations in c tom 10, nr 77, (1994), s.2539-2553.
73. Smith S.M., Scattergartd R.O.: Crack-shape effects for measurements. J. Am. Ceram. Soc., tom. 75, nr 2, (1992
74. Szutkowska M., Boniecki M.: Ocena odporności na p metoda kontrolownego rozwoju pęknięć. Kompozyt} s.439-443
75. OMACS-Optical measuring system for monitoring pro materiał. Oferta Instytutu Technologii Materiałów EleŁ Stosowanej, Warszawa, informacja własna. (2002)
76. Librant Z., Boniecki M. et al.: Properties of ceramics dt of crack. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Te (1999), s.365-377
77. Marshall D.B., Lawn B.R., Evans A.G.: Elastic/plastic ics: The lateral crack system. J. Am. Ceram. Sc s.561-566
78. Sałbut L., Holstein D,: Laser weldment properties ant numerical method. Proc. SPIE, tom 3745, (2003), s.257-
79. Patorski K.: Interferometr laboratoryjno-przemysłow i odkształceń w płaszczyźnie wykorzystujący interfereni Naukowa, i Dydaktyczna, nr. 14, (1988), s. 3-11
80. Kujawińska M., Sałbut L.: Pomiary przemieszczeń i od glikach spiekanych. Praca własna. Politechnika Warszai nej (1994)
81. Sałbut L.; Kujawińska ML Bułhak, et al.: Ceramic-to-metaljoints testing by automated grating interferometry. Proceedings of the ll,h International Conference on Experi- mental Mechanics, Oxford, UK, (1998), s.633-638
82. Polska Norma PN-ISO 2854.: Statystyczna interpretacja danych techniki estymacji oraz testy związane z wartościami średnimi i wariancjami (1994)
83. Greń J.: Statystyka matematyczna. Modele i zadania. PWN. Warszawa (1975)
84. Zieliński R.: Tablice statystyczne. PWN. Warszawa (1972)
85. Polska Norma PN-ISO 3534-1.: Statystyka. Terminologia i symbole. Część 1: Ogólne terminy z zakresu rachunku prawdopodobieństwa i statystyki. (2002)
86. Polański Z.: Podstawy metodyki badań doświadczalnych. Materiały Instruktażowe, nr 112, część 2. Prace i0S, (1975)
87. Polska Norma PN-ISO 3685.: Badanie trwałości noży tokarskich punktowych.(1999)

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BOS4-0006-0081